3膨胀岩土

第三节膨胀岩土膨胀岩土是指岩土体中含有大量的亲水性粘土矿物成分，在环境湿度变化时有较大的体积变化，变形受约束时产生较大内应力的岩土。一、膨胀岩土的判别及类型(一)膨胀岩土的工程地质特征1．野外特征(1)地貌特征：多分布在二级及二级以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显的自然陡坎。在流水作用下的水沟水渠，常易崩塌、滑动而淤塞。(2)结构特征：膨胀岩土干时坚硬，遇水软化，在自然条件下多呈坚硬、硬塑状态，结构致密，自由膨胀率一般大于40%，呈棱形土块者常具有胀缩性，棱形土块越小，胀缩性越强。土内分布有裂隙，裂缝发育，方向不规则，常有光滑面和擦痕，裂缝中常充填灰白、灰绿色粘土。膨胀岩土多为细腻的胶体颗粒组成，断口光滑，土内常包含钙质结核和铁锰结核，呈零星分布，有时也富集成层。(3)地表特征：分布在沟谷头部、库岸和路堑边坡上的膨胀土常易出现浅层滑坡，新开挖的路堑、边坡、基槽，旱季常出现剥落，雨季则出现表面滑塌。膨胀土分布地区还有一个特点，即在旱季常出现地裂，长可达数十米至近百米，深数米，雨季闭合。(4)地下水特征：膨胀土地区多为上层滞水或裂隙水，无统一水位，随着季节水位变化，常引起地基的不均匀胀缩变形。2．膨胀土的物理力学性质指标我国有关地区膨胀土的物理力学性质指标列于表2-3-1。膨胀土的物理力学性质指标表2-3-1地区天然含水量w(%)重度γ(kN/m3)孔隙比e液限wL(%)塑指IP(%)液性指数IL粘粒含量2μ(%)自由膨胀率FS(%)膨胀率eP(%)膨胀力pp(kPa)线缩率eSL(%)云南鸡街广西宁明广西田阳2427.421.520.219.320.20.680.790.64505547.52528.923.900.070.0948534579685.01103175982.976.442.73云南蒙自云南文山云南建水39.437.332.517.817.718.31.151.130.997357593427290.030.290.064245508152529.555062408.209.507.0河北邯郸河南平顶山湖北襄樊23.020.822.420.020.320.00.670.610.6550.850.055.226.726.424.30.050031303280621123.0156137304.48山东临沂34.818.21.0555.229.20.33617广西南宁35.018.60.9862.233.20.1561562.6343.8安徽合肥工大江苏六合马集江苏南京卫岗四川成都川师23.422.121.721.820.120.620.420.20.680.620.630.6446.541.342.443.823.219.821.222.20.090.050.070.053024.5406456612.195985333.5成都龙潭寺湖北枝江湖北荆门23.322.017.919.920.120.70.610.660.5642.844.843.920.920.524.20.010.030.023831309051643994565.92.14湖北郧县陕西安康陕西汉中20.620.422.220.120.220.10.630.620.6847.450.842.822.320.321.3000.1025.824.35357584.432.071.662637274.313.475.8山东泰安22.319.60.7140.220.20.12650.0914广西金光农场桂林奇峰镇403717.818.21.151.13807914130.0206330240.6510473.52.4贵州贵阳52.716.81.57904.60.1354.533.30.7614.79.38广西武宜广西来宾县广西贵县广西武鸣3629322718.318.519.218.50.990.890.910.90685867722630251500.0400306742254450460.429431901.51.31.5山东泗水泉林32.518.40.9860320.181.73．膨胀土胀缩变形的主要因素（1）膨胀土的矿物成分主要是次生粘土矿物—蒙脱石(微晶高岭土)和伊利石(水云母)，具有较高的亲水性，当失水时土体即收缩，甚至出现干裂，遇水即膨胀隆起。因此，土中含有上述粘土矿物的多少直接决定土的膨胀性的大小。几种矿物的活动性能列于表2-3-2。几种矿物的活动性表2-3-2名称活动性蒙脱石钠蒙脱石钙伊利石商岭石白云母方解石石英7.21.50.90.33~0.460.230.180(2)膨胀土的化学成分则以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，粘土粒的硅铝分子比32322OFeOAlSiO的比值愈小，胀缩量就小，反之则大。(3)粘粒含量愈高，吸水能力愈强，胀缩变形就大，因颗粒小，比表面积大，颗粒负电场与极性水分子间的吸引作用，或由于阳离子的水化作用等影响所致。(4)土的密度大，孔隙比就小，反之则孔隙比大，前者浸水膨胀强烈，失水收缩小，后者浸水膨胀小，失水收缩大。(5)膨胀土含水量变化，易产生胀缩变形，当初始含水量与胀后含水量愈接近、土的膨胀就小，收缩的可能性和收缩值就大，如二者差值愈大，土膨胀的可能性及膨胀值就大，收缩就愈小。(二)．膨胀岩土的工程地质分类(1)根据膨胀土的成因和性质等将其分为四类，见表2-3-3：膨胀土的工程性质类型表2-3-3类型岩性孔隙比e液限wLδjs(%)膨胀力PP(kPa)线缩率eSL(%)分布地区Ⅰ(湖相)1.粘土、粘土岩：灰白、灰绿色为注，灰黄、褐色次之0.54~0.8440~5940~9070~3100.7~5.8平顶山、邯郸、宁明、个旧、襄樊、曲靖、昭通2.粘土：灰色及灰黄色0.92~1.2958~8056~10030~1504.1~13.23.粉质粘土：泥质粉细砂、泥灰岩，灰黄色0.59~0.8931~4835~5020~1340.2~6.0郧县、荆门、枝江、安康、汉中、临沂、成都、合肥、南宁Ⅱ(河相)1.粘土：褐黄、灰褐色0.58~0.8938~5440~7753~2041.8~8.22.粉质粘土：褐黄、灰白色0.53~0.8130~4035~5340~1001.0~3.6Ⅲ(滨海相)1.粘土：灰白、灰黄色，层理发育，有垂向裂隙、含砂0.65~1.3042~5640~5210~671.6~4.8广东的湛江、海口2.粉质粘土:灰色、灰白色0.62~1.4132~3922~340~222.4~6.4Ⅳ(残积相)—1(碳酸岩石地区)1.下部粘土：褐黄、棕黄色0.87~1.3551~8630~7514~1001.2~7.3广西的贵县、柳州、来宾2.上部粘土：棕红、褐色等色0.82~1.3447~7225~4913~601.1~3.8云南的昆明、砚山—2(老第三系地区)1.粘土：粘土岩、页岩、泥岩：灰、棕红、褐色0.50~0.7535~4942~6625~401.1~5.0云南的开远，广东的广州宁夏的中宁盐池，新疆的哈密2.粉质粘土：泥质砂岩及砂质页岩等0.42~0.7424~3735~4313~1800.6~2.3—3(火山灰地区)1.粘土：褐红夹黄，灰黑色0.81~1.0051~5881~1262.0~4.0海南：儋县(2)膨胀岩的分类膨胀岩可以参照表2-3-4分为典型的膨胀性软岩和一般的膨胀性软岩。膨胀岩的分类表2-3-4指标蒙脱石含量(%)单轴抗压强度(MPa)软化系数膨胀压力(MPa)体膨胀量(%)自由膨胀率(%)围岩强度比小于2的粘粒含量(%)典型的膨胀性软岩≥50≤5≤0.5≥0.15≥3≥30≤130一般的膨胀性软岩≥105、≤300.6≥0.1≥2≥25≤215（三）．膨胀岩土的判别膨胀岩土的判别，目前尚无统一的指标，大多采用综合判别法；可根据下列特征鉴别膨胀岩土：(1)已有建筑经验证明，当土中水分聚集时，土体膨胀，可能对与其接触的建筑物产生强烈的膨胀压力而导致建筑物的破坏，土中水分减少时，土体收缩并可使岩土体产生程度不同的裂隙，导致其自身强度的降低或消失。(2)膨胀岩土一般分布在二级及二级以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘。地形特征在山地表现为低丘缓坡，在平原地带表现为地面龟裂、沟槽、无直立边坡。(3)膨胀岩土在风干时出现大量的微裂隙，具有光滑面挤压擦痕且有滑腻感。呈坚硬、硬塑状态的岩土体易沿微裂隙面散裂，当其遇水时则软化。膨胀岩土一般呈灰白、灰绿、灰黄、棕红、褐黄等颜色。(4)膨胀岩土分布地区易发生浅层滑坡、地裂、新开挖的基槽及路堑边坡坍塌等不良地质现象。(5)膨胀岩土成分是以蒙脱石及伊利石为主的粘土矿物。(6)地下洞室或隧道的衬砌、井巷支护等结构常产生垂直洞轴线的全断面径向张性胀裂破坏现象。根据实际经验，当土的自由膨胀率大于40%时，大多数可鉴别为膨胀岩土。二、膨胀土地基上建筑物的变形(一)胀缩引起建筑物变形的条件使膨胀土产生胀缩，造成建筑物变形的条件有下列几种情况：1.建筑物本身的条件：当建筑物荷载较小，基础埋置较浅，建筑物刚度较弱时，胀缩易引起建筑物的变形；2.气候条件：当日照通风条件好，温差幅度大，在气候突变的年份时，胀缩易引起建筑物的变形；3.地基条件：当土层分布不均匀、地下水位低时，在挖方时，胀缩易引起建筑物的变形；4.地形地物条件：当建筑物附近有树林、草地、耕地浇水时，或建筑物位于高爽地段、陡砍斜坡时，膨胀土的胀缩易引起建筑物的变形；5.生产设施条件：当干湿设施差别大，在高温车间或湿润车间时，胀缩易引起建筑物的变形。(二)建筑物变形的特征膨胀土地基受季节性气候影响产生胀缩变形，使建筑物上下反复升降，造成开裂破坏。一般情况下建筑物变形有下列特征：l．建筑物建成后三、五年才出现裂缝，甚至一、二十年才开裂，也有少数未竣工就开裂。房屋开裂往往是地区性成群出现，特别是气候强烈变化之后，(如长期干旱等)更是如此。开裂以低层民用建筑较为严重。裂缝随季节性气候变化而变化(因土层含水量随季节性变化)，旱时张开，雨时闭合。2．在相似地质条件下，同一地区的建筑物，其变形幅度是随基底压力和基础埋深的增加而减小。同一建筑物外墙的升降幅度一般大于内墙，且以角端最为敏感。3．建筑物裂缝具有其特殊性，如：(1)角端斜向裂缝：常表现为山墙上的对称或不对称的倒八字形裂缝，伴随有一定的水平位移或转动；(2)纵墙的水平裂缝：一般在窗台下与勒脚下出现较多，同时伴有墙体外倾、外鼓、基础外转和内外墙脱开，以及内横墙出现倒八字裂缝或竖向裂缝；(3)竖向裂缝：一般出现在墙的中部，上宽下窄；(4)独立砖柱的水平断裂，并伴随水平位移和转动；(5)地坪隆起，多出现纵长裂缝，有时出现网格状裂缝；(6)当地裂通过房屋时，在地裂处墙上产生竖向或斜向裂缝。另外，膨胀土边坡很不稳定，易产生浅层滑坡，引起房屋和构筑物开裂破坏，设汁施工时应先治坡后治基，防止滑坡发生。4．特殊条件下加速建筑物的变形：(1)特殊气候(例如大旱和久旱后频雨)下的建筑物的变形幅度大于常年气候下的变形幅度，而且常造成建筑物的损坏。(2)临近坡肩和处于冲沟尾部的建筑物：由于差异变形大，容易产生开裂和损坏。(3)当建筑物内、外有局部水源补给时，往往增大胀缩差异变形。(4)炎热或较干旱地区(如云南、广西的一些地区)建筑物周围的阔叶树(特别是常年不落叶的桉树)，对建筑物的胀缩变形影响很大，尤其是在早年能造成较大的不利影响。5．丘岗地带地质条件十分复杂，兼之膨胀士主体中裂隙发育，除胀缩变形外，在邻近临空面地段还有可能出现局部剪切变形，表现为轻型房屋的长期下沉、错落以及产生浅层滑移等现象。三、膨胀土的地基评价(一)膨胀土场地的分类按场地的地形地貌条件，可将膨胀土建筑场地分为两类：1．平坦场地：地形坡度小于50，且同一建筑物范围内局部高差不超过1m或地形坡度大于50小于140，与坡肩水平距离大于10m的坡顶地带。2．坡地场地：不符合以上条件的均为坡地场地。(二)膨胀潜势膨胀土的膨胀潜势可按其自由膨胀率分为三类(表2-3-5)膨胀土的膨胀潜势